内燃机的热负荷.ppt
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1、第六章第六章 内燃机的热负荷内燃机的热负荷本章主要内容本章主要内容内燃机的热平衡内燃机的热平衡内燃机热流量的实际测量和计算内燃机热流量的实际测量和计算各种运转因素对受热零件温度的影响各种运转因素对受热零件温度的影响某些结构因素对零件温度的影响某些结构因素对零件温度的影响绝热发动机绝热发动机内燃机的热负荷内燃机的热负荷内燃机的经济性和可靠性内燃机的经济性和可靠性零件承受温度高零件承受温度高冷却带走热量少冷却带走热量少热效率高热效率高强度下降强度下降内燃机热负荷的含义内燃机热负荷的含义受热零件的温度受热零件的温度受热零件的温度差受热零件的温度差温度过高的危害温度过高的危害:1、零件材料在高温下强度
2、降低;、零件材料在高温下强度降低;2、零件产生热裂或局部烧熔;、零件产生热裂或局部烧熔;3、第一道环槽处滑油结胶,环卡死折断;、第一道环槽处滑油结胶,环卡死折断;4、破坏受热零件间的正常间隙,产生拉缸等;、破坏受热零件间的正常间隙,产生拉缸等;5、零件温差过大,热应力过大,产生热疲劳裂纹。、零件温差过大,热应力过大,产生热疲劳裂纹。表征内燃机热负荷的参数:表征内燃机热负荷的参数:热流量热流量:与换热系数和热传导条件有关。:与换热系数和热传导条件有关。零件上的每一点:零件上的每一点:该点的温度和周围的温度梯度该点的温度和周围的温度梯度。第一节第一节 内燃机的热平衡内燃机的热平衡热平衡热平衡:气缸
3、中燃料燃烧放出的热量分配:气缸中燃料燃烧放出的热量分配情况。情况。例:例:柴油机柴油机转化为有效功:转化为有效功:3545%随废气排出:随废气排出:2545%润滑油带走:润滑油带走:68.5%冷却水带走:冷却水带走:1522%辐射热损失及其他热损失:其余辐射热损失及其他热损失:其余一、转化为有效功的热量一、转化为有效功的热量二、润滑油带走的热量二、润滑油带走的热量三、废气带走的热量三、废气带走的热量废气温度:排气过程中不断变化。废气温度:排气过程中不断变化。排气过程中总的排气量的平均温度:排气过程中总的排气量的平均温度:废气按流量的平均温度废气按流量的平均温度用热电偶测得的废气平均温度用热电偶
4、测得的废气平均温度用热电偶测得的废气平均温度:用热电偶测得的废气平均温度:四、冷却水带走的热量四、冷却水带走的热量Qch:通过缸盖传给冷却水的热量,占冷却水带走热量:通过缸盖传给冷却水的热量,占冷却水带走热量的的50%。Qcl:通过缸套传给冷却水的热量,占冷却水带走热量的:通过缸套传给冷却水的热量,占冷却水带走热量的3238%。1、Mackerle公式公式对对汽油机汽油机:对对柴油机柴油机:缺点缺点:未反映发动机结构因素和运转因素:未反映发动机结构因素和运转因素的影响。的影响。2、Kostin公式公式结构常数不能正确确定。结构常数不能正确确定。Sitkei进行改进:进行改进:试验用机:柴油机,
5、试验用机:柴油机,D=110mm,S=140mm,=21第二节第二节 内燃机内燃机热流量热流量的实际测量和计算的实际测量和计算燃烧室表面温度波动法燃烧室表面温度波动法用热流量计法用热流量计法利用工作过程计算法利用工作过程计算法一、燃烧室表面温度波动法一、燃烧室表面温度波动法原理原理:在一个循环中气体和燃烧室壁面的:在一个循环中气体和燃烧室壁面的传热造成壁面温度的波动,通过测量温度传热造成壁面温度的波动,通过测量温度的波动可解传热微分方程而求得局部热流的波动可解传热微分方程而求得局部热流量。量。二、用热流量计法二、用热流量计法原理原理:沿壁厚方向近似看作一维导热,:沿壁厚方向近似看作一维导热,通
6、过测量温度梯度来计算局部热流量。通过测量温度梯度来计算局部热流量。热流量计组成:热流量计组成:测量电偶测量电偶:NiCr-Ni热电偶,间距热电偶,间距18mm;测量体测量体:导热系数已知的非合金铸铁;:导热系数已知的非合金铸铁;尾部冷却室尾部冷却室:调节法兰外电偶温度;:调节法兰外电偶温度;薄法兰薄法兰:实现绝热层空气和燃气之间:实现绝热层空气和燃气之间的密封。的密封。测量值:测量值:T1、T2、T3、T4、T5、T6计算热流量:计算热流量:通过法兰存在温度差,修正:通过法兰存在温度差,修正:热流量计使用注意:热流量计使用注意:热流量计在发动机上使用一段时间后,其表面就热流量计在发动机上使用一
7、段时间后,其表面就会会积碳,影响测量效果积碳,影响测量效果。积碳层先随时间而变厚,然后保持一定厚度。积碳层先随时间而变厚,然后保持一定厚度。直喷式柴油机试验结果对比:直喷式柴油机试验结果对比:三、利用工作过程计算三、利用工作过程计算发动机气缸中的传热是发动机气缸中的传热是不稳定传热不稳定传热过程:过程:简化计算,通常当做简化计算,通常当做稳定传热稳定传热过程来计算:过程来计算:1、根据示功图的压力曲线,用热力学方程求出温度、根据示功图的压力曲线,用热力学方程求出温度曲线。曲线。2、用放热系数的、用放热系数的计算公式,求计算公式,求h。右图为用右图为用Woschni公式公式求出的求出的h3、分别
8、求、分别求hgm,(hgTg)m,Tres,q。第三节第三节 各种运转因素对受热零件温度的影响各种运转因素对受热零件温度的影响平均有效压力平均有效压力转速转速冷却水温度冷却水温度进气压力和进气温度进气压力和进气温度供油提前角或点火提前角供油提前角或点火提前角爆震爆震扫气压力和排气背压扫气压力和排气背压一、平均有效压力的影响一、平均有效压力的影响主要因素:循环供油量的变化。主要因素:循环供油量的变化。柴油机柴油机:负荷:负荷,循环供油量,循环供油量,总燃烧量,总燃烧量,零,零件温度件温度。公式公式非增压柴油机非增压柴油机:温度在标定值下线性上升,超过:温度在标定值下线性上升,超过标定值后上升加剧
9、,曲线上翘;标定值后上升加剧,曲线上翘;增压柴油机增压柴油机:过量空气系数变化不大,线性上升。:过量空气系数变化不大,线性上升。风冷柴油机风冷柴油机:随:随pme增加没有增加冷却空气增加没有增加冷却空气量,所以温度上升急剧。量,所以温度上升急剧。汽油机汽油机:节气门调节负荷,单位质量的热:节气门调节负荷,单位质量的热容量基本保持不变,零件温度随容量基本保持不变,零件温度随pme变化比变化比较平缓。较平缓。1、pme对活塞温度的影响对活塞温度的影响不同燃烧室的活塞以及同一活塞上的不同位置的温度变化不同燃烧室的活塞以及同一活塞上的不同位置的温度变化不同,受燃气冲击强烈区域,温度上升较快。不同,受燃
10、气冲击强烈区域,温度上升较快。增压预燃室式涡流室式式2、pme对缸盖温度的影响对缸盖温度的影响缸盖温度随缸盖温度随pme变化比活塞变化比活塞急剧。急剧。3、pme对预燃室、涡流室及镶块温度的影响对预燃室、涡流室及镶块温度的影响非增压柴油机上呈线性关系。非增压柴油机上呈线性关系。不同位置上变化幅度不同。不同位置上变化幅度不同。4、对缸套温度的影响、对缸套温度的影响上部上部:受燃气冲击强烈,:受燃气冲击强烈,随随pme变化显著;变化显著;中下部中下部:受燃气冲击较:受燃气冲击较弱,冷却好,变化幅度弱,冷却好,变化幅度小。小。5、pme对排气门温度的影响对排气门温度的影响排气门温度随排气门温度随pm
11、e变化幅度最大。变化幅度最大。二、转速的影响二、转速的影响主要因素主要因素:单位时间的燃料变化量和放热系数。:单位时间的燃料变化量和放热系数。转速增加:单位时间内的燃烧次数增加,燃料量增加;转速增加:单位时间内的燃烧次数增加,燃料量增加;气体的流动速度上升,放热系数增大。气体的流动速度上升,放热系数增大。柴油机柴油机:非增压非增压:转速和单位时间内燃烧次数成正比,和过量空:转速和单位时间内燃烧次数成正比,和过量空气系数成反比,气系数成反比,零件温度变化急剧零件温度变化急剧。增压增压:燃烧次数正比,过量空气系数正比,二者影响抵:燃烧次数正比,过量空气系数正比,二者影响抵消,消,零件温度变化平缓零
12、件温度变化平缓。汽油机汽油机:零件的温度变化与转速呈:零件的温度变化与转速呈线性关系线性关系。1、n对活塞温度的影响对活塞温度的影响2、n对缸盖温度的影响对缸盖温度的影响3、n对缸套温度的影响对缸套温度的影响缸套温度随转速变化缸套温度随转速变化比活塞、缸盖平缓;比活塞、缸盖平缓;不同位置温度变化有不同位置温度变化有差异:上部变化比下差异:上部变化比下部显著。部显著。4、n对排气门温度的影响对排气门温度的影响排气门温度由排气门温度由过量空过量空气系数气系数决定。决定。增压机增压机,转速降低时,转速降低时,空气量下降更快,过空气量下降更快,过量空气系数下降,温量空气系数下降,温度升高。度升高。三、
13、三、pme和和n影响的分析比较影响的分析比较pme和和n越高,发动机的热负荷也越高;越高,发动机的热负荷也越高;当发动机的功率一定时,增加其中一个,另一个将降低,当发动机的功率一定时,增加其中一个,另一个将降低,需选择合适的值,使发动机受热零件的热负荷和机械负荷需选择合适的值,使发动机受热零件的热负荷和机械负荷处在有利条件。处在有利条件。增压柴油机增压柴油机:在相同功率下,高:在相同功率下,高pme、低、低n比比低低pme、高、高n零件的温度高;零件的温度高;非增压柴油机非增压柴油机:在相同功率下,:在相同功率下,高高pme、低、低n热负荷较低。热负荷较低。四、冷却水温度的影响四、冷却水温度的
14、影响影响:冷却水温上升,带走热量少,零件影响:冷却水温上升,带走热量少,零件温度上升。温度上升。活塞、缸盖活塞、缸盖:各个不同位置的温度随冷却:各个不同位置的温度随冷却水温的变化幅度基本相同,并呈线性关系。水温的变化幅度基本相同,并呈线性关系。缸套缸套:各部位变化幅度不同,但都呈线性:各部位变化幅度不同,但都呈线性关系;上部影响小,下部影响大。关系;上部影响小,下部影响大。排气门排气门:与冷却水状态有关,核状沸腾时:与冷却水状态有关,核状沸腾时温度保持稳定,膜态沸腾时进一步上升。温度保持稳定,膜态沸腾时进一步上升。1、活塞、缸盖的温度变化、活塞、缸盖的温度变化2、缸套、排气门的温度变化、缸套、
15、排气门的温度变化五、进气压力和进气温度的影响五、进气压力和进气温度的影响主要因素主要因素:影响过量空气:影响过量空气系数,进气压力对放热系系数,进气压力对放热系数有一定影响。数有一定影响。过量空气系数增加(一定过量空气系数增加(一定范围内),循环平均温度范围内),循环平均温度降低,燃烧速度加快,传降低,燃烧速度加快,传到壁面热量减少,零件温到壁面热量减少,零件温度下降。度下降。进气压力增加进气压力增加:过量空气系数增加,温度下降;:过量空气系数增加,温度下降;燃气对壁面的放热系数增大,温度上升。燃气对壁面的放热系数增大,温度上升。进气温度增加进气温度增加:过量空气系数减小,温度上升。:过量空气
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